Moura, JAS; Cardoso, A; Lamounier Jr, EA. Revista Ceciliana 1(1): 32-42, 2009.
A criação dos elementos químicos
tridimensionais através da realidade virtual
– uma aplicação na química orgânica
José Avelino dos Santos Moura1,
Alexandre Cardoso2, Edgard A. Lamounier Jr.2
1
Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Santa Cecília (UNISANTA),
2
Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
Recebido em 10/06/09; Aceito em 16/06/09, Publicado em 30/06/09
RESUMO. Este artigo tem como objetivo demonstrar a potencialidade da
Realidade Virtual no ensino de Geometria Molecular. Tal disciplina exige um
profundo
discernimento
dos
alunos
no
domínio
da
visualização
e
manipulação espacial. Assim, os resultados da construção de um ambiente
virtual que permite aos alunos visualizar e manipular moléculas são
discutidos
neste
trabalho.
Pretende-se
aqui
demonstrar
os
ganhos
adquiridos pela Realidade Virtual em mais um campo de ensino e
aprendizagem.
Palavras-chave.
química orgânica, geometria molecular, hidrocarbonetos,
realidade virtual
1. INTRODUÇÃO
É sabido que a capacidade de visualização tridimensional não é natural para
muitos alunos. Tal fato posa como um obstáculo considerável no processo de
aprendizagem de estudantes que são limitados diante desta necessária habilidade.
A motivação deste trabalho surgiu ao confirmar esta verdade através de uma
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pesquisa prévia com professores de Geometria Molecular do Ensino Médio e
superior, que externaram claramente a dificuldade dos alunos em visualizar os
elementos químicos, principalmente, aqueles de apresentação tridimensional.
Por outro lado, pesquisas recentes têm mostrado como a Realidade Virtual
(RV) vem contribuindo como uma ferramenta de auxílio para aprendizagem devido
o suporte providenciado pela mesma, através de mecanismos como imersão e
navegação.
Assim, com a dificuldade colocada pelos professores no tópico em questão,
este trabalho apresenta resultados até aqui alcançados por um projeto de pesquisa
que visa identificar o uso das técnicas de Realidade Virtual como uma ferramenta
de ensino de Geometria Molecular.
2. A REALIDADE VIRTUAL E A GEOMETRIA MOLECULAR
Como foi citado na Introdução, para um melhor entendimento da Química,
procura-se dividi-la didaticamente em alguns assuntos como, por exemplo: Química
Orgânica, Físico-química e Química Geral e ainda, dentro destes subdividi-la em
diversos tópicos para que a linguagem se torne mais fluente e agradável.
Especificamente dentro da Química Orgânica este artigo irá abordar a
Geometria Molecular dos Hidrocarbonetos. A forma Geométrica de uma molécula é
uma característica que define se ela será ou não polar (no caso das ligações entre
os átomos serem polares).
A existência ou não de polaridade na molécula influi de maneira decisiva nas
propriedades da substância, como ponto de fusão, ebulição, solubilidade, dureza,
etc.
A dedução da geometria de uma molécula pode ser feita utilizando-se
algumas regras determinadas pelo químico francês Gillespie, tendo como base
apenas o número de átomos das moléculas e as ligações do átomo central, aquele
que se encontra ligado a todos os demais átomos da molécula.
A Química Orgânica é a parte da Química que estuda praticamente todos os
compostos do elemento Carbono. Ela é um ramo da Química relativamente jovem,
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nascido do estudo das substâncias que constituem a matéria viva e dos compostos
resultantes das suas transformações.
Os compostos orgânicos são praticamente formados por quatro elementos:
carbono (C), cuja presença é obrigatória, hidrogênio (H), oxigênio (O) e
nitrogênio (N). Em 1828, Friedrich Wöhler (1880 – 1882) deu inicio a um grande
campo de pesquisa, o das sínteses orgânicas e hoje são conhecidos por volta de 7
milhões de compostos orgânicos e apenas 200 mil inorgânicos.
A Geometria Molecular dos Hidrocarbonetos é apresentada aos alunos dentro
da Química Orgânica. Baseado em depoimentos de professores que ministram esta
disciplina constatou-se a dificuldade de visualização das moléculas por parte dos
alunos, principalmente quando da apresentação de elementos químicos que
necessitam ser mostrados em 3D, que é o caso da configuração eletrônica de
moléculas com três ou mais átomos, por exemplo, a formação molecular de CH4
(metano), criando a forma de uma pirâmide tetraédrica (Figura 1).
Figura 1. Molécula formada por 4 átomos.
Devido ao grande número de regras possíveis e a complexidade de
associação entre os elementos químicos, inicialmente a dissertação irá exemplificar
a aplicação da Realidade Virtual para os Hidrocarbonetos.
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Os Hidrocarbonetos representam um dos grupos de compostos químicos
mais importantes e presentes em nosso dia-a-dia. Eles são substâncias moleculares
binárias, pois são formadas apenas por carbono e hidrogênio.
Os Hidrocarbonetos podem ser divididos em dois grupos: os aromáticos (que
representam pelo menos um anel ou núcleo aromático) e os alifáticos (todos os
demais).
A tabela 1, abaixo, apresenta exemplos da união de alguns elementos:
Número de elementos
de carbono
Número de elementos
de hidrogênio
Molécula
1
4
Metano (CH4)
2
6
Etano (C2H6)
3
9
Propano (C3H9)
4
10
Butano (C4H10)
5
12
Pentano (C5H12)
A
partir
da
dificuldade
apresentada
pelos
alunos
cria-se
então
a
oportunidade da utilização da Realidade Virtual como ferramenta de apoio
pedagógico, pois através de dispositivos tecnológicos podemos utilizar elementos
virtuais para enriquecer o ambiente real.
A Realidade Virtual ajuda a aumentar a capacidade de retenção e
compreensão do usuário através da interação da comunicação, comprovado por
Pinho (1998) e Borges et al. (2002), que constatam que o aluno manipulando e
analisando as experiências no ato da explicação do professor, consegue assimilar
mais facilmente o conteúdo colocado pelo mesmo.
A Realidade Virtual é uma tecnologia que nos permite através do
computador simular ambientes tridimensionais podendo assim com estes visualizar,
manipular e interagir em tempo real. Portanto, a Realidade Virtual pode ser
utilizada para a visualização e manipulação da Geometria Molecular.
O objetivo da dissertação que está sendo desenvolvida é utilizar a Realidade
Virtual na escolha de certa quantidade de carbonos e hidrogênios através do
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teclado do computador para a formação de um Hidrocarboneto de acordo com as
regras da Química contidas no software que está sendo desenvolvido.
O programa a partir da escolha do aluno irá analisar as regras da Química
para verificar a possibilidade de criação da nova molécula. Posteriormente o aluno
poderá observar a formação da nova molécula (linear, trigonal plana, tetraédrica,
etc,) por todos os lados através da manipulação da mesma com o uso da Realidade
Virtual.
Exemplo: O aluno através do teclado do computador poderá escolher 2 (dois)
Carbonos e então o software apresentará ao usuário as opções possíveis de
Hidrocarbonetos que podem ser
montadas com a quantidade escolhida de
hidrogênios. Por exemplo, a partir dos 2 Carbonos escolhidos e
6 (seis)
Hidrogênios “H6” será formado um novo elemento químico chamado Gás de Eteno
“C2H6”, criando a forma de dois tetraedros ligados pelos vértices (Figura 2).
Figura 2. Molécula formada por 8 átomos.
A Realidade Virtual tem o potencial de colaborar no processo cognitivo do
aprendiz, proporcionando não apenas a assimilação da teoria, mas também a
experimentação prática do conteúdo em questão (CARDOSO et al., 2007), sendo
assim acredita-se que a RV pode ser de grande ajuda no ensino da Geometria
Molecular.
Ilustrativamente podemos citar algumas aplicações já realizadas com a
Realidade Virtual:
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1. O artigo de Andrew Johnson, Thomas Moher, Yong-Joo Cho, Ya Ju Lin,
Dave Haas e Janet Kim (2002) da Universidade Illinois em Chicago, fala
que a RV pode com sucesso aumentar o conhecimento na educação,
como também ajudar a equalizar o ambiente de ensino para estudantes
de todos os níveis.
2. O artigo de Hannes Kaufmann (2002) da Universidade de Tecnologia de
Viena propõe a utilização de uma ferramenta chamada Construct3D para
a construção de figuras geométricas, onde ela tem como objetivo facilitar
o aprendizado da Geometria Espacial, bem como melhorar as habilidades
espaciais dos alunos. Depois de uma avaliação da ferramenta, observouse que ela facilitou o aprendizado dos alunos.
3. Na tese de Doutorado de Crhistine M. Byrne (1996) da Universidade de
Washington, ela constatou que após três meses os estudantes do ensino
médio que utilizaram a Realidade Virtual como meio para análise de
experiências de Química, obtiveram uma maior assimilação do ensino do
que os alunos que tiveram as informações passadas pelos métodos
tradicionais.
3. FERRAMENTAS DO SISTEMA.
O sistema será constituído para desenvolvimento do projeto, em principio,
com as seguintes ferramentas:
§
Linguagem de programação: Visual Studio C# 2008.
§
Banco de dados: SQL Express Edition 2005
§
Direct X: componentes gráficos
§
Blender: plataforma gráfica para desenvolvimento de objetos 3D.
4. DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA
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O sistema a ser desenvolvido será composto especificamente por quatro
módulos, a saber:
1. Interface com os Alunos
Através deste módulo, o aluno terá condições de interagir com o sistema, seja
selecionando os elementos químicos de Hidrogênio e Oxigênio, assim como as
respectivas
quantidades
como
também
escolhendo
uma
das
famílias
dos
Hidrocarbonetos.
2. Validação da estrutura molecular selecionada
Caberá a este módulo, através de regras devidamente parametrizadas, validar a
estrutura molecular selecionada pelo aluno, indicando se a mesma é possível ou
não, e em caso negativo esclarecendo o motivo.
3. Identificação da Geometria Molecular
Este módulo será especializado em identificar o tipo de geometria molecular
(Linear, angular, trigonal plana ou triangular, piramidal, tetraédrica, bipirâmide
trigonal, octaédrica), assim como as distâncias e coeficientes angulares da molécula
a ser formada.
A dedução da geometria da molécula formada terá como base o
número de átomos e as ligações do átomo central, aquele que se encontra ligado a
todos os demais átomos da molécula, assim como a teoria da repulsão dos pares
eletrônicos da camada de valência.
4. Construção da molécula
Através deste módulo, o sistema construirá a molécula graficamente, permitindo ao
aluno estudar sua estrutura pela movimentação em 3D da estrutura construída.
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Arquitetura básica do Sistema
Modelo de Dados do Sistema
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5. CONCLUSÕES FINAIS E TRABALHOS FUTUROS
Este trabalho apresentará uma aplicação prática da Realidade Virtual em
sala da aula, através da criação de um ambiente computacional onde o aluno
poderá criar, manipular, visualizar e principalmente assimilar os conceitos teóricos
da Geometria Molecular. Uma das principais vantagens desta tecnologia é o
envolvimento amplo de sentidos do ser humano na interação homem-máquina
(CARDOSO, 2002).
A
aplicação
da
Realidade
Virtual
simulando
no
ambiente
virtual
principalmente figuras tridimensionais tem sido muito utilizada principalmente no
ensino da Geometria Espacial com grande sucesso pedagógico.
A utilização da Realidade Virtual na Química ainda não foi tão explorada
como na Matemática, mas também abre um universo de possibilidades de
simulações
de
conceitos
abstratos
que
podem
tornar-se
mais
facilmente
assimilados pelos alunos através do uso adequado da ferramenta.
A partir do desenvolvimento desse trabalho e do aprofundamento do
conhecimento entrelaçado da Química com a Realidade Virtual, novas possibilidades
de desenvolvimento irão surgir, principalmente devido à extensão, a profundidade e
as dificuldades que a Química apresenta com toda sua complexidade para o seu
aprendizado. Porém, essa complexidade apresentada pela Química pode ser
amenizada com a utilização da Realidade Virtual e a capacidade que a mesma tem
em apresentar em um ambiente virtual representações que poderiam ser
visualizadas com muita dificuldade pelos alunos a olho nu.
Como trabalhos futuros a serem desenvolvidos a dissertação deixa uma
grande oportunidade para a introdução das demais regras da Química que
possibilitam a criação de outras moléculas que não as apresentadas no trabalho
que
está
sendo
desenvolvido.
Essa
aplicação
futura
irá
demandar
um
aprofundamento no conhecimento teórico da Química e a conseqüente utilização da
Realidade Virtual para a apresentação dessas outras moléculas mais complexas.
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Moura, JAS; Cardoso, A; Lamounier Jr, EA. Revista Ceciliana 1(1): 32-42, 2009.
REFERÊNCIAS:
Borges, E; Lamounier Jr, EA; Cardoso, A. Investigando Técnica Interativas para
Aprimorar o Uso de Realidade Virtual no Ensino de Geometria Espacial. In: V
Symposium on Virtual Reality – SVR.2002, Fortaleza, CE. Anais…p. 78-89.
Byrne, C. Water on Tap: The Use of Virtual Reality as an. Educational Tool; Tese de
DSc,
University
of
Washington
in
Seattle.
March
1996.
disponível
em:
http://www.hitl.washington.edu/publications/dissertations/Byrne.
Cardoso, A. Uma Arquitetura para Elaboração de Experimentos Virtuais Interativos
suportados por
Realidade Virtual não-imersiva; Tese de doutorado, Escola
Politécnica da Universidade de São Paulo. 2002.
Cardoso,
A;
Kirner,
Desenvolvimento
de
C;
Lamounier
Sistemas
de
Jr,
EA;
Kelner
J.
Tecnologia
realidade
Virtual
e
Aumentada.
para
o
Editora
Universitária UFPE, Recife – 2007.
Johnson, A; Moher, T; Cho, Y; Lin, YJ. Dave Haas e Janet Kim, Augmenting
Elementary School Education with VR. University of Illinois at Chicago, IEEE
Computer Graphics and Applications, Projects in RV, p. 6-9. 2002
Kaufmann, H. Construct3D: AN Augmented Reality Application for Mathematics and
Geometry Education. December 2002, pp. 656-657.
Pinho, MS. Realidade Virtual como ferramenta de Informática na Educação. Porto
Alegre: PUCRS, maio 1998.
Pinho, MS. Realidade Virtual como ferramenta de Informática na Educação. Porto
Alegre: PUC/PR, jul. 2002.
Contato do autor: [email protected]
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